Caroline Sidrim Gomes Leite Mansur Antunes. Comportamento dos aterros que compõem a obra do Arco Metropolitano do Rio de Janeiro

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1 Universidade do Estado do Rio de Janeiro Centro de Tecnologia e Ciências Faculdade de Engenharia Caroline Sidrim Gomes Leite Mansur Antunes Comportamento dos aterros que compõem a obra do Arco Metropolitano do Rio de Janeiro Rio de Janeiro 2012

2 Caroline Sidrim Gomes Leite Mansur Antunes Comportamento dos aterros que compõem a obra do Arco Metropolitano do Rio de Janeiro Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do título de Mestre, ao Programa de Pós- Graduação em Engenharia Civil, da Universidade do Estado do Rio de Janeiro. Área de concentração: Geotecnia. Orientadores: Prof.ª Dr.ª Ana Cristina Castro Fontenla Sieira Prof. Dr. Rogério Luiz Feijó Rio de Janeiro 2012

3 CATALOGAÇÃO NA FONTE UERJ / REDE SIRIUS / BIBLIOTECA CTC/B A636 Antunes, Caroline Sidrim Gomes Leite Mansur. Comportamento dos aterros que compõem a obra do Arco Metropolitano do Rio de Janeiro / Caroline Sidrim Gomes Leite Mansur Antunes f. Orientadores: Ana Cristina Castro Fontenla Sieira; Rogério Luiz Feijó. Dissertação (Mestrado) Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Faculdade de Engenharia. 1. Engenharia Civil. 2. Aterros - Dissertação. I. Sieira, Ana Cristina Castro Fontenla. II. Feijó, Rogério Luiz. III. Universidade do Estado do Rio. III. Título. CDU Autorizo, apenas para fins acadêmicos e científicos, a reprodução total ou parcial desta tese, desde que citada a fonte. Assinatura Data

4 Caroline Sidrim Gomes Leite Mansur Antunes Comportamento dos aterros que compõem a obra do Arco Metropolitano do Rio de Janeiro Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do título de Mestre, ao Programa de Pós- Graduação em Engenharia Civil, da Universidade do Estado do Rio de Janeiro. Área de concentração: Geotecnia. Aprovado em: 06 de Junho de Banca Examinadora: Prof.ª Dr.ª Ana Cristina Castro Fontenla Sieira (Orientadora) Faculdade de Engenharia UERJ Prof. Dr. Rogério Luiz Feijó (Orientador) Faculdade de Engenharia UERJ Prof. Dr. André Pereira Lima Faculdade de Engenharia UERJ Profa. Dra. Anna Laura Lopes da Silva Nunes Universidade Federal do Rio de Janeiro COPPE - UFRJ Rio de Janeiro 2012

5 À Deus, que sempre me dá fé para prosseguir e ultrapassar obstáculos. À minha família, pelo amor, carinho e apoio contínuo.

6 AGRADECIMENTOS Aos meus orientadores, Prof.ª Doutora Ana Cristina Castro F. Sieira e Prof. Doutor Rogério L. Feijó, pela excelente orientação, pela amizade, pelo auxílio oferecido em todos os momentos, me apresentando novos caminhos e me conduzindo nesta jornada constante que é o aprendizado da engenharia geotécnica. Aos professores do PGECIV-UERJ, pela atenção dedicada e pelos ensinamentos sólidos fornecidos durante o mestrado. Aos meus colegas de mestrado, pela amizade demonstrada ao longo do tempo, companheirismo e horas de estudo na UERJ. Aos funcionários do PGECIV UERJ (Shirlei B. do Canto e Helena Moreira), do LABBAS UERJ e do LMS UERJ, pelo apoio e amizade. À UERJ, universidade querida, que tanto contribuiu na minha formação acadêmica e profissional, desde os tempos da graduação. momentos. À minha família, que tanto amo, pela compreensão e apoio em todos os A todos aqueles, que embora não citados nominalmente, contribuíram direta e indiretamente para a execução deste trabalho. À Portaria Conjunta DER-RJ/UERJ Nº01 de 01 de Maio de 2010, que propiciou o desenvolvimento do presente estudo. À CAPES pelo apoio financeiro.

7 Eis o meu segredo. É muito simples: só se vê bem com o coração. O essencial é invisível aos olhos." O Pequeno Príncipe - Antoine de Saint-Exupéry

8 RESUMO ANTUNES, Caroline Sidrim Gomes Leite Mansur. Comportamento dos aterros que compõem a obra do Arco Metropolitano do Rio de Janeiro f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) Faculdade de Engenharia, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, O presente trabalho tem como objetivo a análise do comportamento dos aterros instrumentados que compõem a obra do Arco Metropolitano do Rio de Janeiro. Os resultados da instrumentação de campo serão discutidos e retroanalisados, juntamente com dados disponíveis na literatura, buscando-se a definição de parâmetros confiáveis, representativos do comportamento da argila compressível da região em estudo. O Arco Metropolitano do Rio de Janeiro é uma rodovia projetada que servirá como ligação entre as 5 principais rodovias que cortam o município do Rio de Janeiro. Dada a magnitude da obra e a ocorrência de significativas espessuras de solos moles em alguns trechos da região, determinados aterros que compõem a rodovia foram instrumentados com placas de recalque e inclinômetros, instalados em diferentes estações de monitoramento, no intuito de avaliar os deslocamentos verticais e horizontais dos aterros durante o processo construtivo. De posse de parâmetros confiáveis, procede-se à simulação numérica do processo construtivo de um dos aterros, a partir do programa PLAXIS, de elementos finitos. Os resultados numéricos são confrontados com a instrumentação de campo (fornecida por placas de recalque) e com os resultados de previsões teóricas (teoria de adensamento unidimensional). Em projetos de aterros sobre solos compressíveis, a instrumentação geotécnica é de grande importância, pois permite acompanhar o desenvolvimento de todo o processo construtivo, e as deformações decorrentes da sobrecarga imposta pelo lançamento de camadas de aterro. A imposição de um carregamento sobre solos de alta compressibilidade e baixa resistência pode acarretar em grandes deformações ao longo do tempo, além de rupturas indesejáveis do solo de fundação. Os resultados comprovaram que a modelagem numérica mostrou-se uma ferramenta adequada para a previsão dos recalques totais e tempos de adensamento. A definição de parâmetros representativos, com base em ensaios executados em amostras de boa qualidade, é o primeiro passo para a previsão coerente da evolução dos recalques com o tempo. A retroanálise do comportamento de aterros sobre solos moles permite a reavaliação das premissas de projeto, uma vez que as limitações das teorias de análise e a dificuldade na seleção de parâmetros, muitas vezes acarretam em estimativas de recalque incoerentes com as observações de campo. Palavras-chave: Recalques por adensamento; Aterro sobre solos compressíveis; Simulação numérica.

9 ABSTRACT The present work aims to analyze instrumented embankments behavior that composes the Rio de Janeiro s Arco Metropolitano construction. Field instruments results will be discussed and reanalyzed, altogether with data available in literature, seeking to define reliable parameters, representative of the compressible clay behavior into the studied area. The Rio de Janeiro s Arco Metropolitano is a road designed to work as a link between the five major highways that cross Rio de Janeiro city. Given to the work s magnitude and the occurrence of significant thickness of soft soil in some parts of the region, some landfills that form the highway were instrumented with inclinometers and settlement plates installed in different monitoring stations in order to evaluate the vertical and horizontal landfill during the construction process. Armed with reliable parameters, it will be carried out to the numerical simulation of the construction process of a landfill, from the program PLAXIS, of finite elements. The numerical results will be compared with field instrumentation (provided by boards of repression) and the results of theoretical predictions (one-dimensional consolidation theory). In projects of embankments on compressible soil, geotechnical instrumentation is very important because it allows following the development of the entire construction process and the deformations due to overload imposed by the release of embankment layers. The imposition of a load on soils high compressibility and low resistance can lead to large deformations over time and undesirable disruptions in foundation soil. Concerning the numerical modeling, results proved to be a suitable tool to total settlements and times of consolidation prediction. The representative parameters definition, based on tests performed on good quality samples, is the first step for predicting the development of coherent repression with time. The reanalysis of the embankments behavior on soft soil permits the revaluation of the premises of the project, since the theory limitations of analysis and the difficulty in selecting parameters often leads to inconsistent estimates of repression with field observations. Keywords: Settlement; Consolidation; Embankment on soft soils; Numerical simulation.

10 LISTA DE FIGURAS Figura 1 Traçado do Arco Metropolitano do Rio de Janeiro Figura 2 Gráfico e versus log σ v Figura 3 Equipamento para a realização do Ensaio de Adensamento (Laboratório de Mecânica dos Solos da UERJ, 2010) Figura 4 Desenho esquemático: Ensaio de Adensamento (Sousa Pinto, 2002) Figura 5 Esquema do Ensaio CRS (Moura, 2004) Figura 6 - Método de Asaoka (Ortigão, 1995) Figura 7 Gráfico do Método de Orleach Figura 8 - Método de Casagrande (Souza Pinto, 2002) Figura 9 Método de Pacheco e Silva (Adaptado de Pacheco, 2010) Figura 10 Efeito do amolgamento na curva m v versus σ v (Correia e Lacerda, 1982 Adaptado de Almeida et al., 2005) Figura 11 Índice de vazios inicial (e o ) em função da profundidade (Adaptado de Marques et al., 2008) Figura 12 Índice de compressibilidade (C c ) em função da profundidade (Adaptado de Marques et al., 2008) Figura 13 Coeficiente de adensamento vertical (c v ) em função da profundidade (Adaptado de Marques et al., 2008) Figura 14 Variação de e 0 em função da profundidade Figura 15 Variação de C c em função da profundidade Figura 16 Variação de c v em função da profundidade Figura 17 Faixas de valores de coeficiente de adensamento vertical (c v ) Figura 18 Faixas de valores de CR (Adaptado de Lima, 2007) Figura 19 Traçado do Arco Metropolitano do Rio de Janeiro (Adaptado de material da Secretaria de Obras Governo do Estado do Rio de Janeiro) Figura 20 Traçado do Segmento C Lote 1 - Arco Metropolitano do Rio de Janeiro Figura 21 - Aterros com Remoção de Solos Moles (Projeto Arco Metropolitano do Rio de Janeiro) Figura 22 - Aterros sobre Drenos, construídos em Etapas e Bermas (Projeto Arco Metropolitano do Rio de Janeiro)... 68

11 Figura 23 - Aterros Reforçados com Bermas (Projeto Arco Metropolitano do Rio de Janeiro) Figura 24 Bench Mark (Adaptado do Projeto do Arco Metropolitano do Rio de Janeiro) Figura 25 Inclinômetro (Adaptado do Projeto do Arco Metropolitano do Rio de Janeiro) Figura 26 Inclinômetro instalado no Lote 1 - Arco Metropolitano do Rio de Janeiro Figura 27 Instalação de Inclinômetros - Arco Metropolitano do Rio de Janeiro Figura 28 Placa de Recalque (Adaptado do Projeto do Arco Metropolitano do Rio de Janeiro) Figura 29 Placa de Recalque instalada no Lote 1 - Arco Metropolitano do Rio de Janeiro Figura 30 Animais próximos à área das Placas de Recalque Figura 31. Localização das Placas no Aterro Figura 32. Localização das Placas no Aterro Figura 33. Localização das Placas no Aterro 3 - Pista Esquerda Figura 34. Localização das Placas no Aterro 3 - Pista Direita Figura 35. Localização das Placas no Aterro 4 - Pista Esquerda Figura 36. Localização das Placas no Aterro 4 - Pista Direita Figura 37. Localização das Placas no Aterro 4A - Pista Esquerda Figura 38. Localização das Placas no Aterro 4A - Pista Direita Figura 39. Localização das Placas no Aterro 5 - Pista Esquerda Figura 40. Localização das Placas no Aterro 5 - Pista Direita Figura 41. Localização das Placas nos Aterros 6 e 6A - Pista Esquerda Figura 42. Localização das Placas nos Aterros 6 e 6A - Pista Direita Figura 43. Localização das Placas no Aterro 6B - Pista Esquerda Figura 44. Localização das Placas no Aterro 6B - Pista Direita Figura 45. Localização das Placas no Aterro 6C - Pista Esquerda Figura 46. Localização das Placas no Aterro 6C - Pista Direita Figura 47. Localização das Placas no Aterro 7 - Pista Esquerda Figura 48. Localização das Placas no Aterro 7 - Pista Direita Figura 49 Execução das atividades de terraplenagem e lançamento dos aterros Arco Metropolitano do Rio de Janeiro... 96

12 Figura 50 Recalque e cota de aterro versus tempo:placa de Recalque PRPD Figura 51 Recalque e cota de aterro versus tempo: Placa de Recalque PRPD Figura 52 Recalque e cota de aterro versus tempo: Placa de Recalque PRPD-49E Figura 53 Recalque e cota de aterro versus tempo: Placa de Recalque PRPE Figura 54 Recalque e cota de aterro versus tempo: Placa de Recalque PRPE Figura 55 Recalque e cota de aterro versus tempo: Placa de Recalque PRPE Figura 56 Confronto entre os valores de CR obtidos por retroanálise e dados da literatura Figura 57 Recalque e cota de aterro versus tempo: Placa de Recalque PRPD Figura 58 Recalque e cota de aterro versus tempo: Placa de Recalque PRPD Figura 59 Recalque e cota de aterro versus tempo: Placa de Recalque PRPD Figura 60 Recalque e cota de aterro versus tempo: Placa de Recalque PRPD-28E Figura 61 Recalque e cota de aterro versus tempo: Placa de Recalque PRPD-29E Figura 62 Recalque e cota de aterro versus tempo: Placa de Recalque PRPE-18E Figura 63 Recalque e cota de aterro versus tempo: Placa de Recalque PRPE-19E Figura 64 Recalque e cota de aterro versus tempo: Placa de Recalque PRPE-20E Figura 65 Método gráfico de Asaoka para a placa de recalque PRPD Figura 66 Geometria adotada nas análises numéricas: Seção S1 PRPD Figura 67 Malha de Elementos Finitos Seção S1 PRPD Figura 68 Simulação da sequência de carregamento: Seção S1 PRPD

13 Figura 69 Resultado das análises numéricas: Seção S1 PRPD Figura 70 Dissipação dos excessos de poropressão, antes do lançamento da 2ª camada de aterro: Seção S1 PRPD Figura 71 Distribuição dos excessos de poropressão e das tensões efetivas ao longo do processo executivo: Seção S Figura 72 Geometria Adotada nas Análises Numéricas Seção S Figura 73 Malha de Elementos Finitos Seção S2 PRPE-19E Figura 74 Resultado das Análises Numéricas: Seção S

14 LISTA DE TABELAS Tabela 1 Principais ensaios de campo e seus respectivos graus de aplicabilidade (Lunne et al., 1997b Adaptado de Schnaid, 2000) Tabela 2 Classificação dos solos, de acordo com o índice de resistência à penetração (NBR 7.250/1982) Tabela 3 Classificação da qualidade das amostras - Lunne et al. (1997a) Tabela 4 Classificação da qualidade das amostras - Coutinho et al., 2001 (adaptado de Teixeira, 2011) Tabela 5 Classificação da qualidade das amostras - Oliveira (2002) Tabela 6 - Valores de permeabilidade reportados na literatura e definidos no projeto Tabela 7. Soluções de estabilização adotadas no Aterro Tabela 8. Soluções de estabilização adotadas no Aterro Tabela 9. Soluções de estabilização adotadas no Aterro Tabela 10. Soluções de estabilização adotadas no Aterro Tabela 11. Soluções de estabilização adotadas no Aterro 4A Tabela 12. Soluções de estabilização adotadas no Aterro Tabela 13. Soluções de estabilização adotadas no Aterro Tabela 14. Soluções de estabilização adotadas no Aterro 6A Tabela 15. Soluções de estabilização adotadas no Aterro 6B Tabela 16. Soluções de estabilização adotadas no Aterro 6C Tabela 17. Soluções de estabilização adotadas no Aterro Tabela 18 Seções analisadas no presente estudo com as respectivas placas de recalque Tabela 19 Valores dos recalques finais de campo: registros da instrumentação versus Método de Asaoka (1978) Tabela 20 - Obtenção de CR a partir de retroanálises em trechos com a presença de geodrenos Tabela 21 Coeficiente de Adensamento (c v ) Tabela 22 Resultado dos Ensaios de Adensamento de Projeto: Lote Tabela 23 Valores de OCR: Ensaios de Adensamento de Projeto do Lote Tabela 24 - Qualidade das Amostras de Projeto - Lote

15 Tabela 25 Parâmetros de Projeto: Lote Tabela 26 - Parâmetros Geotécnicos Representativos da Argila Mole da Região Tabela 27 Sequência de carregamento: Seção S Tabela 28 Recalques totais: Seção S Tabela 29 Sequência de carregamento: Seção S Tabela 30 Recalques totais: Seção S Tabela 31 - Parâmetros de Compressibilidade da Argila Mole Definidos no Projeto Tabela 32 Recalques previstos com os parâmetros de projeto

16 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS CPMT CPT CPTU Cone-Pressiômetro Cone Penetration Test / Ensaio de Cone Cone Penetration Test, com medição da pressão neutra / Ensaio de Piezocone CRS Constant Rate of Strain / Ensaio de Velocidade Constante de Deformação DER-RJ Departamento de Estradas de Rodagem do Estado do Rio de Janeiro DMT DNER DNIT E.U.A. FEN FUNDERJ DilatoMeter Test / Ensaio Dilatométrico Departamento Nacional de Estradas de Rodagem Departamento Nacional de Infra-Estrutura de Transportes Estados Unidos da América Faculdade de Engenharia Fundação Departamento de Estradas de Rodagem do Estado do Rio de Janeiro IN INPD INPE IPR LMS UERJ Inclinômetro Inclinômetro da Pista Direita Inclinômetro da Pista Esquerda Instituto de Pesquisas Rodoviárias Laboratório de Mecânica dos Solos - Universidade do Estado do Rio de Janeiro MEF NA Método dos Elementos Finitos Normalmente Adensado

17 NBR PA PAC PBP PGECIV UERJ Norma Brasileira Pré-Adensado Programa de Aceleração do Crescimento Ensaio Pressiométrico em Pré-furo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil Universidade do Estado do Rio de Janeiro PR PRPD PRPE PVC RJ SBP SCPT SCPTU SPT UERJ UFPE Placa de Recalque Placa de Recalque da Pista Direita Placa de Recalque da Pista Esquerda Policloreto de Vinil Rio de Janeiro Pressiômetro Auto-Perfurante Ensaio de Cone Sísmico Ensaio de Piezocone Sísmico Standard Penetration Test Universidade do Estado do Rio de Janeiro Universidade Federal de Pernambuco

18 LISTA DE SÍMBOLOS a v Coeficiente de compressibilidade c Intercepto da envoltória de resistência do gráfico τ versus σ C c C r C s C α CR c h c v d e D r d w e e o e σ vo E f s G G s H d H o k k o m v N 60 N SPT n OCR Índice de compressão (índice de compressibilidade) Índice de recompressão Índice de expansão Coeficiente de compressão secundária Razão / Relação de Compressão Coeficiente de adensamento horizontal Coeficiente de adensamento vertical / Coeficiente de consolidação Diâmetro de influência do dreno Densidade relativa Diâmetro do dreno Índice de vazios Índice de vazios inicial ou de campo Índice de vazios correspondente ao nível de tensão efetiva vertical inicial Módulo de deformabilidade dos solos Atrito lateral Módulo de cisalhamento Densidade específica das argilas Espessura da camada de argila, de acordo com o nº de faces drenantes/ distância máxima de drenagem Espessura inicial da camada de solo compressível Coeficiente de permeabilidade Coeficiente de empuxo lateral no repouso Coeficiente de variação volumétrica Fator que corresponde ao número de golpes de padrão americano, com energia liberada na ordem de 60% da energia teórica Fator que corresponde ao número de golpes, no ensaio SPT Razão entre o diâmetro de influência do dreno (d e ) e o diâmetro do dreno (d w ) Over consolidation ratio / Razão de sobre-adensamento

19 P q c R f RPA S u t t f t p t i t i-1 Carga aplicada Resistência de ponta Razão de Atrito Razão de pré-adensamento Resistência ao cisalhamento não-drenada indeformada Tempo Tempo final Tempo relativo ao final do adensamento primário Tempo inicial Tempo anterior t 1 Tempo relativo a leitura de lnu 1 t 2 Tempo relativo a leitura de lnu 2 u Poropressão u b w o z α 1 β 1 e h P t u ε ε v ε vo Poropressão na base Umidade inicial Distância vertical / profundidade Inclinação da reta, em ln (u) versus tempo Inclinação da reta de Asaoka Diferença entre o índice de vazios inicial da amostra (e o ) e o índice de vazios correspondente ao nível de tensão efetiva vertical de campo(e σ vo ) Variação de altura Variação de cargas Intervalo de tempo Excesso / Variação de poropressão Deformação Deformação vertical Deformação axial no nível de tensão inicial de campo φ Ângulo de atrito efetivo γ Peso específico γ sat ρ ρ asaoka Peso específico saturado Recalque Recalque final, pelo método de Asaoka ρ i Valores de recalque, nos tempos t i

20 ρ i-1 Valores de recalque, nos tempos t i-1 ρ real σ σ h σ v Recalque final real de campo Tensão Tensão total horizontal Tensão total vertical σ v Tensão efetiva vertical σ vf Tensão efetiva vertical final σ vm Tensão efetiva de pré-adensamento σ vo Tensão efetiva vertical inicial ou de campo

21 SUMÁRIO INTRODUÇÃO REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Compressibilidade, Adensamento e Recalque dos Solos Compressibilidade Aspectos Gerais História de Tensões no Solo Adensamento e Recalque Teoria do Adensamento Unidimensional de Terzaghi (1943) Categorias de Recalque (Inicial, Primário e Secundário) Ensaios de Laboratório para a Determinação dos Parâmetros de Compressibilidade dos Solos Ensaio de Adensamento Unidimensional (Convencional ou Ensaio de Compressão Edométrica) Ensaio de Adensamento com Velocidade de Deformação Constante (CRS) Ensaios de Campo Ensaios de Cone (CPT) Ensaios de Piezocone (CPTU) Ensaio SPT (Standard Penetration Test) Métodos Gráficos Método de Asaoka (1978) Método de Orleach (1983) Método de Casagrande Método de Pacheco e Silva Influência da Qualidade das Amostras Lunne et al. (1997a) Coutinho et al (2001) Oliveira (2002) Correia e Lacerda (1982) Estudo dos Parâmetros Geotécnicos de Solos Compressíveis na Baixada Fluminense Considerações Finais... 61

22 2 ARCO METROPOLITANO DO RIO DE JANEIRO CARACTERIZAÇÃO DOS ASPECTOS DE INTERESSE DA ÁREA EM ESTUDO Caracterização e Delimitação da Área de Estudo Considerações Gerais Localização do Segmento em Estudo Concepções do Projeto Geotécnico para os Trechos Instrumentados com a Presença de Solos Compressíveis Instrumentação de Campo - Definições Aterros Instrumentados Considerações Finais AVALIAÇÃO DOS RESULTADOS DA INSTRUMENTAÇÃO DE CAMPO Análise Global dos Aterros Instrumentados Definição das Seções Representativas do Estudo Previsão dos Recalques Finais para as Seções Representativas do Estudo: Método de Asaoka (1978) Análise das Seções Representativas Inseridas em Trechos com a Presença de Geodrenos Discussão dos Resultados da Instrumentação de Campo: Seções com Geodrenos Retroanálise dos Recalques Finais de Campo para a Obtenção de CR Análise das Seções Representativas Inseridas em Trechos sem a Presença de Geodrenos Discussão dos Resultados da Instrumentação de Campo: Seções sem Geodrenos Determinação de c v pelo Método de Asaoka Considerações Finais ANÁLISE NUMÉRICA DOS ATERROS INSTRUMENTADOS Programa PLAXIS Modelos Constitutivos Parâmetros Representativos Avaliação da Qualidade das Amostras utilizadas nos Ensaios de Projeto Seleção dos Parâmetros Geotécnicos para a Região do Empreendimento Confronto entre as Previsões Analíticas e Numéricas

23 4.4.1 Seção S Seção S Discussão entre os Parâmetros Adotados no Projeto Executivo e os Parâmetros Reavaliados CONCLUSÕES E SUGESTÕES Conclusões Recomendações para Trabalhos Futuros REFERÊNCIAS

24 22 INTRODUÇÃO O desenvolvimento desta pesquisa foi subsidiado pela Portaria Conjunta DER-RJ/UERJ Nº01 de 01 de Maio de 2010, que estabelece um convênio entre a Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ) e o Departamento de Estradas e Rodagens (DER-RJ). O Arco Metropolitano do Rio de Janeiro consiste em uma rodovia de aproximadamente 145 km de extensão (Figura 1), que interligará oito municípios do Estado do Rio de Janeiro, sendo uma das principais obras do Programa de Aceleração do Crescimento (PAC) e a principal obra do Estado nas últimas décadas. Figura 1 Traçado do Arco Metropolitano do Rio de Janeiro Este empreendimento se encontra em fase de execução e permitirá a desobstrução do tráfego das principiais vias e rodovias do Estado, aumentando a acessibilidade ao Porto de Itaguaí, além de possibilitar o desenvolvimento de regiões que ainda possuem economia pouco expressiva. A obra foi dividida em 4 lotes e está sendo executada por um Consórcio que envolve oito Construtoras: Odebrecht, Andrade Gutierrez, Carioca, Queiroz Galvão,

25 23 OAS, Camargo Corrêa, Delta e Oriente. As atividades envolvidas compõem, em linhas gerais, drenagem, terraplanagem, obras de arte especiais e correntes. O traçado da rodovia em estudo corta diversos trechos com relevante presença de camadas de solos compressíveis (argila orgânica mole). A construção em terrenos constituídos de solos compressíveis e com baixa resistência apresenta uma série de dificuldades no que tange à previsão da magnitude dos recalques. A construção em regiões com a presença de solos muito moles requer uma boa infraestrutura e a utilização de técnicas adequadas. Sendo assim, torna-se imprescindível o constante monitoramento dos aterros, com o auxílio de instrumentos (placas de recalque, inclinômetros, entre outros), de forma a acompanhar a evolução gradual dos deslocamentos verticais e horizontais dos maciços durante o período construtivo. Ressalta-se que, na previsão dos recalques por adensamento de solos compressíveis são utilizadas formulações analíticas, com hipóteses simplificadoras, que são dependentes da qualidade dos parâmetros geotécnicos adotados. Desta forma, a qualidade das amostras é fator fundamental na obtenção de parâmetros geotécnicos representativos das condições in situ. Objetivos O presente trabalho contempla a análise do comportamento dos aterros instrumentados que compõem a obra do Arco Metropolitano do Rio de Janeiro, visando a avaliação da magnitude dos recalques obtidos durante o processo de lançamento das camadas dos aterros, bem como a verificação dos parâmetros e premissas de projeto. Metodologia e Estrutura da Dissertação A metodologia utilizada na concepção desta dissertação foi baseada em dados de projeto, coleta de informações de campo e pesquisas realizadas na região do empreendimento. Inicialmente, foram realizadas diversas visitas técnicas aos

26 24 aterros instrumentados, canteiros, laboratórios e aos demais setores do empreendimento, permitindo uma maior integração com o cotidiano das atividades desenvolvidas na obra. Em seguida, foi delimitada a área de estudo, tendo como foco os aterros localizados em região com grande incidência de solos compressíveis. A partir do acompanhamento das leituras da instrumentação geotécnica, contidas nos Relatórios Mensais (Junho de 2010 a Novembro de 2011) fornecidos pelo Consórcio executor das obras, foi possível realizar o estudo dos recalques reais de campo. A reprodução da sequência construtiva dos aterros foi realizada com o auxílio de um programa computacional de elementos finitos (PLAXIS). Os resultados numéricos obtidos foram confrontados com as leituras da instrumentação de campo e com as previsões teóricas. Os parâmetros geotécnicos dos solos compressíveis foram definidos a partir da avaliação dos ensaios edométricos de projeto, executados em amostras extraídas em campo. Tais parâmetros foram reavaliados, levando em consideração a análise da qualidade das amostras e as faixas de valores pesquisadas por diversos autores para a região em estudo. A presente Dissertação foi organizada em 5 capítulos. O capítulo 1 aborda a revisão bibliográfica com a finalidade de inserir os conhecimentos teóricos, subsidiando o estudo em questão. Foram comentados aspectos relativos à compressibilidade, adensamento e recalques. Também foi abordada a questão da qualidade das amostras, e dos parâmetros geotécnicos pesquisados para a região na qual se inserem os aterros instrumentados. O capítulo 2 disserta a respeito dos aterros instrumentados da obra do Arco Metropolitano do Rio de Janeiro, contextualizando o empreendimento, delimitando o foco dos estudos e aspectos referentes à instrumentação geotécnica. O capítulo 3 aborda a análise do comportamento dos aterros instrumentados da obra do Arco Metropolitano do Rio de Janeiro, introduzindo o estudo dos recalques. Adicionalmente, foi feita a obtenção do coeficiente de adensamento (c v ) e a estimativa da magnitude dos recalques finais através do Método de Asaoka (1978). Estes recalques estimados foram confrontados com os recalques reais finais registrados em campo. Ainda neste capítulo, discute-se a obtenção de valores para o parâmetro Razão de Compressão (CR), a partir de retroanálises realizadas com o registro das placas de recalque situadas nos trechos instrumentados mais

27 25 representativos da região em estudo e que apresentaram recalques de magnitude expressiva. O capítulo 4 contempla o uso do software PLAXIS na reprodução do processo construtivo e no confronto com a realidade de campo e com as previsões teóricas. Este capítulo também trata da análise e definição dos parâmetros geotécnicos das argilas moles, através de comparações com os valores anteriormente estudados e obtidos por demais autores para a área em estudo. Também foi realizada a verificação da qualidade das amostras de projeto. O capítulo 5 apresenta as conclusões do estudo e as recomendações para pesquisas futuras.

28 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA No presente capítulo, serão abordados os principais aspectos envolvidos nos fenômenos de compressibilidade; adensamento e recalque dos solos; ensaios de campo e laboratoriais; estudo de parâmetros geotécnicos da literatura para a região da obra do Arco Metropolitano, além de abordar alguns critérios de avaliação da qualidade das amostras. 1.1 Compressibilidade, Adensamento e Recalque dos Solos Compressibilidade Aspectos Gerais Para que ocorra uma variação de volume ao se aplicar um carregamento a uma massa de solos, deve ocorrer ao menos um dos seguintes efeitos: a) Compressão dos grãos sólidos do solo; b) Compressão da água e do ar dos poros da massa de solo; c) Expulsão da água e do ar dos poros do solo. Considerando-se os grãos e a água como incompressíveis em relação à compressibilidade do arcabouço sólido, o que é aceitável para as solicitações impostas ao solo em termos de Engenharia e, ainda, que este seja saturado, a variação de volume deve-se exclusivamente à expulsão da água dos vazios do solo. O princípio das tensões efetivas enuncia que: 1) As tensões em qualquer ponto de uma massa de solo podem ser computadas a partir das tensões principais σ 1, σ 2 e σ 3 que agem neste ponto. Se os vazios do solo estiverem preenchidos por água sob uma pressão u, as tensões totais consistem em duas parcelas. Uma parcela u que age na água e nos grãos sólidos em todas as direções com igual intensidade. Esta parcela é denominada

29 27 poropressão. A outra parcela é suportada apenas pelo esqueleto sólido do solo e é chamada de tensão efetiva. Assim, Terzaghi escreveu a equação fundamental que expressa o valor da tensão efetiva (σ'): σ' = σ - u (1) Onde: σ = tensão total; u = poropressão; σ' = tensão efetiva. A segunda parte do princípio das tensões efetivas descreve a sua importância. 2) Todos os efeitos mensuráveis devidos a uma variação do estado de tensões, tais como compressão, distorção e variação na resistência ao cisalhamento são exclusivamente devidos às variações no estado de tensões efetivas. Deste modo, de acordo com o princípio das tensões efetivas, sempre que houver uma variação de volume em uma massa de solo, esta é consequência da variação do estado de tensões efetivas. Entretanto, vale a pena ressaltar que a recíproca não é verdadeira, isto é, pode ocorrer uma variação no estado de tensões efetivas sem variação de volume. É o que ocorre nos carregamentos não drenados. Desta forma, pode-se definir compressibilidade, de maneira genérica, como sendo a relação entre a deformação volumétrica específica (ε v ) e a variação do estado de tensões efetivas. Assim, a compressibilidade é função da rigidez do esqueleto sólido e do caminho de tensões que liga os estados de tensões inicial e final História de Tensões no Solo Os solos podem ter sofrido diversas alterações em seu estado de tensões ao longo de sua história. Analisando-se a curva e versus log σ v é possível observar as mudanças de comportamento dos solos (Figura 2).

30 28 O trecho inicial da curva mostra o processo de recompressão do solo, ou seja, o solo nesta fase sofre menor compressibilidade. Em seguida, observa-se um trecho que apresenta valores de tensão efetiva maiores do que os máximos valores aos quais este solo já foi, anteriormente, submetido. O limite entre estes dois trechos corresponde à tensão efetiva de pré-adensamento (σ vm ), que é a máxima tensão efetiva ao qual o solo já foi submetido em toda sua história. Figura 2 Gráfico e versus log σ v A tensão efetiva de pré-adensamento (σ vm ) é um fator importante e seu valor tem bastante influência na estimativa de recalques em depósitos moderadamente pré-adensados. A partir da análise da Figura 2, relacionando a tensão efetiva de préadensamento (σ vm ) com a tensão efetiva vertical de campo (σ vo ), pode-se obter as seguintes conclusões: σ`vm = σ`vo Significa que o solo nunca foi submetido a uma tensão efetiva vertical maior que a tensão efetiva vertical de campo atual. Sendo assim, este solo é denominado normalmente adensado e possui uma razão de pré-adensamento (RPA) igual a 1,0 (um). A razão RPA é usualmente chamada de OCR (over consolidation ratio). A razão de pré-adensamento (RPA) é definida pela fórmula a seguir:

31 29 RPA = σ ` σ ` vm vo (2) σ`vm > σ`vo Significa que o solo, no passado, já foi submetido a uma tensão efetiva vertical maior que a tensão efetiva vertical atual. Sendo assim, este solo é denominado pré-adensado e possui uma razão de pré-adensamento (RPA) maior do que 1,0 (um). Para que um maciço de solo seja considerado pré-adensado, ele pode ter sofrido uma remoção da sobrecarga superficial, um processo de erosão (natural ou pela ação do homem), variações no estado de poropressões, bombeamento, ressecamento superficial, fenômenos diversos como fluência, compressão secundária, precipitações de agente cimentantes, entre outros Adensamento e Recalque No instante da aplicação de um acréscimo de tensão a uma massa de solo saturado, em vista da baixa compressibilidade da água relativamente à compressibilidade do esqueleto sólido, todo esse acréscimo é suportado pela água presente nos vazios, gerando um excesso de poropressão, desde que não haja drenagem. No instante posterior, desde que haja drenagem, a água dos poros começa a ser expulsa devido ao gradiente hidráulico que se estabelece e o excesso de poropressão diminui progressivamente. Ocorre, então, uma transferência progressiva da tensão aplicada para a estrutura do solo. O adensamento é o processo lento e gradual de variação de volume associado à expulsão de água dos poros do solo, após a imposição de determinado acréscimo de tensão. Este processo está, portanto, relacionado com a facilidade com a qual a água é capaz de drenar através do solo, sendo particularmente importante em solos finos.

32 Teoria do Adensamento Unidimensional de Terzaghi (1943) A Teoria do Adensamento foi desenvolvida por Terzaghi (1943) a fim de estudar o processo de adensamento dos solos, e a transferência gradual de esforços da água (poropressão) para o arcabouço sólido. Esta teoria clássica se baseia nas seguintes hipóteses: O solo é saturado; O solo é homogêneo; A compressão é unidimensional (vertical); O fluxo d água é unidirecional (vertical); É válida a Lei de Darcy; A compressibilidade dos grãos e da água é desprezível em relação à compressibilidade do arcabouço sólido; As propriedades do solo não variam no processo de adensamento; As deformações são infinitesimais; A variação do índice de vazios com o aumento da tensão efetiva é linear. A transferência de esforços da água para a parte sólida se dá através da dissipação dos excessos de poropressão, pela expulsão da água dos vazios do solo. Sendo assim, ressalta-se a utilização das equações de fluxo, de continuidade e da lei de Darcy, para a dedução da Equação de Adensamento de Terzaghi. A Equação de Adensamento de Terzaghi, para carregamento variando no tempo, é dada por: 2 u u σ v cv = 2 z t t (3) Sendo: c v = coeficiente de adensamento vertical; u = excesso de poropressão; t = tempo; z = distância vertical entre um ponto e a superfície de aplicação do carregamento; σ v = tensão vertical.

33 31 dada por: A Equação de Adensamento de Terzaghi, para carregamento instantâneo, é 2 u u = z t c v 2 (4) O coeficiente de adensamento vertical reflete as características do solo, como as propriedades de permeabilidade e compressibilidade. A velocidade do processo de transferência de tensões entre a água (poropressão) e o arcabouço sólido (tensão efetiva) é diretamente afetada pelo valor de c v Categorias de Recalque (Inicial, Primário e Secundário) O recalque dos solos devido à aplicação de carregamentos pode ser dividido em três etapas: 1) Recalque imediato (recalque elástico ou recalque inicial) O recalque inicial possui suas formulações fundamentadas na teoria da elasticidade, para a determinação das deformações. Ele ocorre imediatamente após a aplicação do carregamento, através da deformação elástica dos solos, sem alteração no teor de umidade, ou seja, não há saída de água (recalque nãodrenado). 2) Recalque por adensamento primário O recalque por adensamento primário é resultado de uma mudança de volume nos solos coesivos saturados provocada pela saída da água que ocupa os vazios do solo. Ao receber o carregamento, os esforços são imediatamente absorvidos pela parcela de água contida no solo. Em seguida, ocorre o processo de drenagem e os

34 32 esforços inicialmente absorvidos pela água são transferidos de forma gradual para a estrutura sólida, ocasionando alteração no valor inicial de tensões efetivas. O recalque em solos normalmente adensados (RPA = 1,0) pode ser expresso por: ρ = H0 1+ e ) ( 0 C c σ' log σ' Sendo: H o = espessura inicial da camada de solo compressível; e o = índice de vazios inicial; C c = índice de compressão; σ vf = tensão efetiva vertical final; σ vo = tensão efetiva vertical inicial. vf vo (5) expressões: O recalque em solos pré-adensados é calculado a partir das seguintes Se σ vf < σ vm : ρ = H0 1+ e ) ( 0 C r σ' log σ' Onde: σ vm = tensão efetiva de pré-adensamento; C r = índice de recompressão. vf vo (6) Se σ vf > σ vm : H ' 0 σ' σ vm vf ρ = C r log + Cc log ( 1+ e0 ) σ' vo σ' vm (7) 3) Recalque por compressão secundária O recalque secundário é uma compressão adicional nos solos coesivos saturados que acontece após a estabilização (constância) das tensões efetivas e se

35 33 deve ao fato da relação entre o índice de vazios e tensão efetiva ser uma função do tempo. Este tipo de recalque possui maior incidência em argilas bastante plásticas, sendo pouco expressivo na maioria dos solos. O recalque por compressão secundária é expresso por: ρ H 0 s = Cα ( 1+ e0 ) t log t Onde: e o = índice de vazios inicial; H o = espessura inicial da camada de solo compressível; C α = coeficiente de compressão secundária; t f = tempo final (tempo associado à vida útil da obra); t p = tempo relativo ao final do adensamento primário. f p (8) Ensaios de Laboratório para a Determinação dos Parâmetros de Compressibilidade dos Solos A utilização das teorias de Mecânica dos Solos e das simulações numéricas na resolução dos problemas e elaboração dos projetos de engenharia geotécnica requer, constantemente, o conhecimento prévio de parâmetros e de condições do subsolo. A fim de determinar estes parâmetros geotécnicos, são realizados ensaios de campo e de laboratório. O presente item se delimita na abordagem de determinados ensaios laboratoriais amplamente utilizados em amostras extraídas do campo. É importante ressaltar que o processo de retirada de amostras no campo é bastante difícil, exigindo cuidado e responsabilidade por parte da equipe de profissionais envolvidos diretamente na coleta e no transporte do material a ser ensaiado. Tal cuidado se deve ao fato de evitar a ocorrência do processo de amolgamento das amostras. Vale lembrar que é comum a ocorrência de um

36 34 pequeno alívio de tensões decorrente do descarregamento, durante o processo de amostragem. Nos itens subsequentes, serão apresentados os principais ensaios utilizados com a finalidade de determinar os parâmetros geotécnicos de compressibilidade e adensamento dos solos Ensaio de Adensamento Unidimensional (Convencional ou Ensaio de Compressão Edométrica) O ensaio de adensamento unidimensional foi sugerido, inicialmente, por Terzaghi e consiste na compressão de uma amostra de solo dentro de um molde (edômetro ou consolidômetro) que impede as deformações laterais. Em linhas gerais, a carga vertical (tensão vertical) aplicada é transmitida através de uma placa de distribuição rígida na superfície da amostra de solo e mede-se a evolução das deformações verticais ao longo do tempo, através de leituras no extensômetro. Durante o ensaio, o corpo de prova é mantido sob a água. Pedras porosas permitem a drenagem. A Figura 3 apresenta uma prensa de ensaio de adensamento, e a Figura 4 ilustra o esquema do mesmo. Inicialmente, aplica-se uma carga no corpo de prova por um período de 24 horas (ou até que se tenha atingido uma estabilização dos deslocamentos verticais). Em seguida, dobra-se o valor da carga aplicada e a medição da compressão é feita novamente. Repete-se este procedimento até níveis de tensões pré-estabelecidos. Para cada incremento de carga, traça-se uma curva compressão (leituras do extensômetro) versus tempo. Em cada estágio de carga, é calculada a variação do índice de vazios devido à compressão do corpo de prova. Ao término do ensaio, elabora-se o gráfico de índice de vazios versus tensão efetiva, que define a curva de compressibilidade do solo. Este ensaio é bastante eficaz na obtenção de parâmetros geotécnicos de compressibilidade do solo. Por correlações, podem ser obtidos, entre outros, os seguintes parâmetros: Coeficiente de variação volumétrica (m v ); Coeficiente de compressibilidade (a v ); Índices de compressibilidade (C r, C c, C s ).

37 35 Figura 3 Equipamento para a realização do Ensaio de Adensamento (Laboratório de Mecânica dos Solos da UERJ, 2010) Figura 4 Desenho esquemático: Ensaio de Adensamento (Sousa Pinto, 2002) Correlações entre parâmetros de compressibilidade são úteis na prática da engenharia, pois através delas é possível realizar estimativas de recalques, avaliar soluções de projeto, aferir e retroanalisar os resultados obtidos através das campanhas de ensaios, entre outros. O índice de compressibilidade C c, obtido

38 36 através de ensaios edométricos, pode ser correlacionado com os limites de Atterberg, por exemplo, fornecidos por ensaios de caracterização (Ortigão, 1995). Ressalta-se que o ensaio em tela reproduz, em laboratório, a condição de fluxo e deformação unidimensional, pois a amostra é impedida de se deformar horizontalmente e a drenagem é imposta no topo e na base. Ele reproduz o comportamento do solo quando este recebe novas camadas, durante a construção de grandes aterros, por exemplo. Teixeira (2011) relata em seu trabalho que o ensaio convencional possui diversas limitações que são inerentes a sua execução, podendo citar a obtenção descontínua da relação tensão versus deformação (curva e versus log σ v ) e o longo tempo de execução do ensaio. É importante ressaltar que a obtenção de pontos mais espaçados na curva e versus log σ v dificulta uma adequada definição da tensão de pré-adensamento. O autor aborda ainda que variações do ensaio convencional são bastante utilizadas e que diversos laboratórios adotam valores menores de razões de incrementos de cargas ( P/P=0,5) principalmente para tensões próximas à tensão de pré-adensamento do solo. Dentre as variações, citamse a realização de ensaios com recarregamento no final do adensamento primário, reduzindo o tempo total de ensaio e a variação do ensaio convencional utilizando o carregamento em estágio único, realizada para uma tensão efetiva vertical maior que a tensão de pré-adensamento, possuindo valor apenas para a determinação da tensão de pré-adensamento Ensaio de Adensamento com Velocidade de Deformação Constante (CRS) O Ensaio de Velocidade Constante de Deformação (CRS: Constant Rate of Strain ) é um tipo de ensaio de adensamento contínuo bastante utilizado, no qual ocorre a aplicação gradual de carga vertical no corpo de prova, com velocidade constante de deformação. A drenagem é permitida somente em uma face (topo) da amostra, sendo a base submetida à condição não-drenada, com medição da poropressão. Hamilton e Crawford (1959) foram os pioneiros na apresentação de ensaios CRS na literatura. A Figura 5 ilustra o ensaio CRS.

39 37 Figura 5 Esquema do Ensaio CRS (Moura, 2004) Este ensaio é realizado em uma prensa para aplicação de carregamento uniaxial. São medidos os valores da tensão total vertical aplicada no topo (σ v ), da poropressão na base (u b ) e da variação da altura ( h) do corpo de prova. Crawford (1965) verificou que ocorre uma redução de poropressões na base (u b ) com o decréscimo da velocidade de deslocamento aplicada. As principais vantagens do ensaio CRS em relação ao ensaio de adensamento convencional estão relacionadas à rapidez e agilidade no tempo de realização do ensaio, e a ampliação do número de pontos que definem a curva e versus log σ v para a melhor obtenção da tensão de pré-adensamento (σ vm ). Porém, este ensaio apresenta dificuldades quanto à determinação da velocidade de deformação mais adequada. Moura et al. (2006) comprovaram a eficácia do ensaio CRS na obtenção de curvas ε v versus σ`v de boa qualidade. Os autores discutem a diversidade de critérios da literatura para a seleção da velocidade mais adequada a ser utilizada nos ensaios CRS, de forma a obter curvas e valores de c v satisfatórios. Dentre os critérios da literatura comentados por Moura et al. (2006), destacam-se:

40 38 Wissa et al. (1971) apresentaram um critério que objetiva a determinação de uma poropressão na base (u b ) que permita a obtenção de curvas ε v versus σ`v e o cálculo de c v. Este critério, no entanto, acarreta em velocidades de deslocamento bastante reduzidas para argilas muito plásticas. A velocidade a ser adotada deve resultar na razão u b /σ`v dentro da faixa de 2% e 5%; Armours e Drnevich (1986) apresentaram uma equação para a determinação da velocidade. O valor máximo admissível da razão u b /σ`v deve ser de 40% a 50%; Smith e Walhs (1969) definiram que o valor máximo da razão u b /σ`v deve ser de 50%. Teixeira (2011) ressalta como desvantagem deste tipo de ensaio a dificuldade da determinação da tensão de pré-adensamento, pois observa-se que quanto maior é a velocidade de realização do ensaio, maior parece ser a tensão de préadensamento Ensaios de Campo As informações obtidas nos ensaios de campo, em geral, são a base dos projetos de Geotecnia. Estes ensaios permitem a obtenção de parâmetros, a caracterização e o reconhecimento da estratigrafia dos solos, seja diretamente, ou a partir de correlações empíricas. Os ensaios de campo apresentam vantagens em relação aos ensaios laboratoriais. Dentre elas, citam-se a diminuição da ocorrência de perturbações causadas pela variação do estado de tensões durante as operações de coleta, transporte e manuseio das amostras; a possibilidade de se ensaiar grandes volumes de solo, in situ; além de permitirem a obtenção de medições contínuas dos parâmetros geotécnicos com a profundidade. Schnaid (2000) apresenta um resumo dos principais ensaios de campo e suas aplicações (Tabela 1), a fim de orientar o engenheiro no que tange à escolha do tipo

41 39 de ensaio. Interpretam-se as classificações de aplicabilidade A, B, C e I, respectivamente, como: alta, moderada, baixa e inexistente. Tabela 1 Principais ensaios de campo e seus respectivos graus de aplicabilidade (Lunne et al., 1997b Adaptado de Schnaid, 2000) Grupo Equipamento Identificação Parâmetros Tipo de Solo Perfil u ϕ' D r m v C v k OCR S u G 0 σ h σ-ε Dinâmico C B I C C I I I C C C I I Mecânico B A/B I C B C I I C C C C I Penetrômetro Elétrico (CPT) B A I C A/B C I I B B B B/C I Piezocone (CPTU) A A A B A/B B A/B B B B B B/C C Sísmico (SCPT/SCPTU) A A A B A/B B A/B B B A/B A B B Dilatômetro (DMT) B A C B C B I I B B B B C Standard Penetration Test (SPT) A B I C B I I I C C C I I Resistividade B B I B A C I I I C I I I Pressiômetro Pré-furo (PBP) B B I C C B C I C B B C C Auto-perfurante (SBP) B B A B B B A B B B A A/B A/B Cone-pressiômetro (CPMT) B B I C C C C I C B A C C Palheta B C I I I I I I B/C A I I B Ensaio de Placa C I I C B B C C B B A C B Outros Placa Helicoidal C C I C B B C C B B A C I Permeabilidade C I A I I I B A I I I I I Ruptura Hidráulica I I B I I I C C I I I B I Sísmico C C I I I I I I B I A I I A seguir, serão abordados os ensaios de campo mais utilizados na obtenção de parâmetros geotécnicos Ensaios de Cone (CPT) O ensaio de cone (CPT) consiste, basicamente, na penetração/cravação estática e vertical de uma haste de ponteira cônica em um terreno, onde se realizam as medições da resistência de ponta (q c ) e do atrito lateral (f s ) que ocorrem na interface entre o equipamento e o solo. A partir da correlação destas medidas fornecidas pelo ensaio, obtém-se o parâmetro denominado Razão de Atrito (R f ), dado por:

42 40 f R f = q s c (9) Os boletins de ensaios CPT fornecem gráficos de q c, f s e R f em função da profundidade. Este ensaio se subdivide em 2 (dois) tipos, basicamente: o ensaio de cone com penetrômetro mecânico e o ensaio de cone elétrico. Este último tipo de ensaio permite a medição contínua da variação da resistência de ponta com a profundidade, além de possuir extensômetros elétricos de resistência para medir as deformações do equipamento na etapa de cravação. É importante ressaltar que os estudos iniciais sobre ensaios de cone foram realizados em 1930, por Terzaghi (Árabe,1995). No Brasil, o ensaio de cone começou a ser utilizado, porém de forma ainda restrita, no final da década de 1950 Schnaid (2000) Ensaios de Piezocone (CPTU) Este ensaio consiste, basicamente, em uma evolução do ensaio de cone (CPT), incorporando a medição da poropressão e os elementos piezométricos a um conepenetrômetro padrão (Robertson e Campanella, 1983). O registro da poropressão é feito através de um filtro (elemento poroso), do transdutor de pressão, das conexões e da cavidade do transdutor. A cravação do equipamento para a realização de um ensaio CPTU pode utilizar o mesmo sistema para a realização do ensaio de cone elétrico (CPT). No ensaio CPTU, são medidos o atrito lateral (f s ), a resistência de ponta (q c ) e a poropressão (u). Diversos parâmetros geotécnicos podem ser estimados ou obtidos por meio de correlações com resultados de ensaios, sejam laboratoriais ou de campo. Por exemplo, em solos argilosos, é possível obter parâmetros como a razão de préadensamento (RPA), a resistência ao cisalhamento não-drenada (S u ), o coeficiente de empuxo lateral no repouso (k o ), o coeficiente de adensamento vertical (c v ), coeficiente de adensamento horizontal (c h ), o coeficiente de permeabilidade (k), entre outros.

43 41 As principais vantagens do CPTU são (Robertson e Campanella, 1983): a identificação mais apurada da estratigrafia do solo, a melhor obtenção dos parâmetros geotécnicos e a estimativa do valor de c v através do tempo de dissipação das poropressões Ensaio SPT (Standard Penetration Test) O SPT (Standard Penetration Test) é um ensaio que utiliza métodos diretos, sendo uma importante ferramenta de investigação da estratigrafia dos subsolos. Por ser economicamente viável, este ensaio é bastante utilizado no Brasil na previsão de recalques, projetos de fundações, entre outros. Este ensaio permite ainda a obtenção de parâmetros geotécnicos através de correlações. Em solos granulares, por exemplo, pode-se obter a estimativa de densidade relativa (D r ) e o ângulo de atrito efetivo do solo (ϕ ). Em solos coesivos, por exemplo, em argilas pré-adensadas pode-se correlacionar a resistência nãodrenada (S u ) e o valor de SPT (N SPT ). Ressalta-se que as relações entre S u e N SPT não devem ser utilizadas para solos moles (N SPT <5) devido à falta de representatividade dos valores de N SPT medidos nos ensaios (Schnaid, 2000). A Tabela 1 mostra também a aplicabilidade do ensaio SPT e alguns dos parâmetros que podem ser obtidos. Vale ressaltar, também, a possibilidade de correlacionar o valor de N SPT com o módulo de deformabilidade dos solos. O ensaio SPT consiste em uma medida de resistência dinâmica conjugada a uma sondagem de simples reconhecimento. O sistema é composto por um trépano de lavagem (ferramenta de escavação), onde a perfuração é obtida por tradagem e circulação de água. As amostras do solo são extraídas, a cada metro de profundidade, através de um amostrador padrão. A cravação deste amostrador é realizada por meio da queda de um peso de 65 kg, a uma altura de 75 cm. O valor N SPT é o número de golpes necessário para fazer o amostrador penetrar 30 cm, após a cravação inicial de 15 cm (Schnaid, 2000). Ressalta-se a importância da correta execução do ensaio, utilizando-se, ainda, equipamentos em bom estado de conservação, a fim de se obter bons resultados, sem interferências externas que

44 42 atrapalhem a investigação do solo. A normalização brasileira do ensaio SPT é encontrada na NBR 6.484/1980. A Tabela 2 apresenta a classificação da consistência/compacidade dos solos em função do índice de resistência à penetração (N SPT ), segundo a NBR 7.250/1982. Tabela 2 Classificação dos solos, de acordo com o índice de resistência à penetração (NBR 7.250/1982) Solo Índice de resistencia à penetração Designação < 2 muito mole Argila e Silte Argiloso 3-5 mole 6-10 média rija > 19 dura < 4 fofa Areia e Silte Arenoso 5-8 pouco compacta 9-18 medianamente compacta compacta > 40 muito compacta Segundo Schnaid (2000), os ensaios SPT apresentam algumas limitações relacionadas às influências que este sofre em função do tipo de martelo, ou da energia transferida ao amostrador durante a cravação, que pode ser um pouco distinta da energia de queda livre teórica. Diante destas limitações, recomenda-se a necessidade de correção dos valores medidos de N SPT, a fim de se obter estimativas de parâmetros geotécnicos do solo. A fórmula de correção é dada por: NSPT ENERGIA APLICADA N60 = 0,60 (10)

45 43 O fator N 60 é o número de golpes de padrão americano, com energia liberada na ordem de 60% da energia teórica. A prática internacional sugere normalizar o número de golpes, baseando-se neste padrão americano. Velloso e Lopes (1996) recomendam efetuar a majoração do valor de N SPT obtido através de sondagem brasileira em 10% a 20%, antes de utilizar correlações formuladas nos E.U.A. 1.2 Métodos Gráficos Método de Asaoka (1978) O método de Asaoka (1978) é um método que se utiliza de um processo gráfico, elaborado com o objetivo de estimar os recalques totais e o coeficiente de consolidação in situ (c v ), a partir de informações de campo, obtidas pelos registros das placas de recalque instaladas nos aterros instrumentados. Este método pode ser estendido para casos de construção de aterros em etapas ou para incorporação da parcela de compressão secundária. Os registros de recalque de campo são inseridos em um gráfico de recalque versus tempo, em escala aritmética (Figura 6.a). A escala de tempo é dividida em intervalos constantes, sendo aconselháveis intervalos entre 15 e 100 dias (Ortigão, 1995). Em seguida constrói-se um segundo gráfico (Figura 6.b) representando os recalques ρ i (nos tempos t i ) versus os recalques ρ i-1 (nos tempos t i-1 ). Traça-se uma reta interpolando os pontos deste segundo gráfico. Desenha-se uma reta com 45 tendo origem no ponto (0,0), que intercepta a reta interpolada. Desta forma, obtémse c v a partir da relação (Ortigão,1995): 2 5.H d.lnβ = 12. t 1 c v (11)

46 44 Sendo: H d = distância de drenagem; t = intervalo de tempo; β 1 = inclinação da reta de Asaoka. (a) Gráfico de recalque versus tempo (b) Obtenção do recalque final Figura 6 - Método de Asaoka (Ortigão, 1995). É importante ressaltar, ainda, a modificação do método de Asaoka (1978) proposta por Magnan e Deroy (1980), elaborada com a finalidade de se obter, além dos valores de recalque final e coeficiente de adensamento vertical, o valor do coeficiente de adensamento horizontal. Para adensamento com drenagem radial, se utiliza a seguinte formulação: Sendo: H d = distância de drenagem; 2 de lnβ =.F(n). 8 t 1 ch (12)

47 45 t = intervalo de tempo; β 1 = inclinação da reta de Asaoka; F(n) = ln (n) 0,75; n = razão entre o diâmetro de influência do dreno (d e ) e o diâmetro do dreno (d w ). d e = diâmetro de influência do dreno, onde: d e = 1,13 x s (para a área quadrangular); d e = 1,05 x s (para a área triangular); s = espaçamento entre drenos. expressão: Para obtenção de drenagem combinada (Nacci e Schnaid, 2001), utiliza-se a c h d F( n) ln β1 π c 8 t 4 H 2 e v = 2 d (13) Onde: H d = distância de drenagem; c v = coeficiente de adensamento vertical; F(n) = função da razão do espaçamento entre drenos n=d e /d w (F(n) = ln(n)-0,75); t = intervalo de tempo; β 1 = inclinação da reta de Asaoka; d w = diâmetro equivalente do dreno vertical pré-fabricado, onde: ( a + b) d w = 2 ; π d e = diâmetro de influência do dreno, onde: d e = 1,13.s (para a área quadrangular); d e = 1,05.s (para a área triangular); s = espaçamento entre drenos. Almeida (1996) sugere que são necessários registros de placas de recalque com magnitudes de, pelo menos, 60% do valor de recalque final, a fim de se utilizar o Método de Asaoka com segurança. Magnan e Mieussem, (1980) também afirmam que este método fornece previsões satisfatórias, desde que o grau de adensamento

48 46 alcançado seja superior a 60%. Ressalta-se que o método de Asaoka é recomendado para uma condição mínima de 60% de dissipação do excesso de poropressão gerado pelo carregamento (Asaoka, 1978). Nacci e Schnaid (2001) relatam que o método de Asaoka (1978) utilizado para a estimativa do valor de recalque final estimado a partir do registro das leituras de placa e a modificação deste método por Magnan e Deroy (1980) para a retroanálise de parâmetros de adensamento são em geral satisfatórios para a análise de aterros sobre solos moles. A simplicidade de aplicação dos métodos é considerada vantajosa. As condições de aplicação do método devem ser criteriosamente observadas a fim de garantir sua aplicabilidade e confiabilidade. Os autores ressaltam ainda que, em processo de adensamento de camadas nas quais se utilizavam drenos verticais, o adensamento secundário exerce pouca influência na estimativa do recalque final por Asaoka, sendo o valor obtido correspondente ao adensamento primário Método de Orleach (1983) O método de Orleach (1983) consiste em um processo gráfico que fundamenta-se tanto na teoria de Terzaghi, para adensamento vertical, quanto na teoria de Barron (1948), para adensamento radial ou horizontal, com o objetivo de se obter os coeficientes de adensamento horizontal e vertical a partir de dados de campo (Almeida, 1996). Para a realização deste processo gráfico, traça-se um gráfico do excesso de poropressão (escala semi-log) no tempo (Figura 7). Ajusta-se uma reta pelos pontos do gráfico e obtém-se o ângulo α 1, que corresponde à inclinação da reta traçada. Os valores dos coeficientes de adensamento vertical e horizontal (c v e c h ) são dados a partir das formulações: c v 2 4.H d. α = 2 π 1 (14)

49 47 c = f(n) α 8 2 h de.. u1 ln u2 α1 = t t (15) (16) Sendo: c v = coeficiente de adensamento vertical; H d = distância máxima de drenagem; α 1 =inclinação da reta em ln (u) versus tempo; t 1 e t 2 = tempos relativos a leituras de lnu 1 e lnu 2 ; d e = diâmetro de influência do dreno; f(n) = ln (n) 0,75; n = razão entre o diâmetro de influência do dreno (d e ) e o diâmetro do dreno (d w ). Figura 7 Gráfico do Método de Orleach

50 Método de Casagrande O método do Prof. Casagrande é bastante utilizado, tanto no Brasil, quanto em outros países, na obtenção do valor da tensão efetiva de pré-adensamento (σ`vm ). Sabendo-se da dificuldade de se determinar a tensão efetiva de préadensamento com precisão, os métodos empíricos permitem estimar o valor mais provável ou a ordem de grandeza desta referida tensão (Sousa Pinto, 2002). O processo gráfico (Figura 8) se dá pela seguinte maneira: dado o gráfico de tensão vertical x índice de vazios, traça-se uma reta horizontal no ponto de maior curvatura e uma tangente à curva. Depois, traça-se uma bissetriz do ângulo formado pelas duas retas. Em seguida, traça-se o prolongamento da reta virgem até interceptar a referida bissetriz. A leitura da abscissa deste ponto de interseção determina a tensão efetiva de pré-adensamento (σ`vm ) (Caputo, 1988). Figura 8 - Método de Casagrande (Souza Pinto, 2002)

51 Método de Pacheco e Silva O método do engenheiro Pacheco e Silva é utilizado para a obtenção do valor da tensão efetiva de pré-adensamento (σ`vm ). Inicialmente, traça-se uma reta horizontal correspondente ao índice de vazios inicial da amostra. Prolonga-se a reta virgem até interceptar com a reta horizontal anteriormente citada. Traça-se um segmento vertical partindo do ponto de interseção até interceptar a curva de adensamento da amostra. A partir deste último ponto interceptado, traça-se um novo segmento horizontal que deverá interceptar o prolongamento da reta virgem. Esta última interseção corresponde ao valor da tensão efetiva de pré-adensamento (σ`vm ). Figura 9 Método de Pacheco e Silva (Adaptado de Pacheco, 2010) 1.3 Influência da Qualidade das Amostras Nos ensaios, a utilização de amostras de melhor qualidade é fundamental na obtenção de parâmetros geotécnicos mais confiáveis e satisfatórios. Durante o processo de coleta, introdução dos instrumentos, transporte, manuseio e preparação do ensaio, a amostra pode sofrer algumas mudanças em

52 50 seu estado de tensões, ou seja, alterações significativas na condição inicial à qual esta amostra estava submetida. Este fenômeno é conhecido como amolgamento. Cavalcante et al. (2007) em seu trabalho sobre os Campos Experimentais Brasileiros, relataram que a cravação de estacas causam amolgamento do solo e, provavelmente, um aumento das poropressões, ao analisar os trabalhos referentes ao Campo Experimental da UFPE, em Recife. A qualidade das amostras se torna fundamental na caracterização dos solos, principalmente, quando se trata de solos argilosos, pois refletirá diretamente na qualidade dos resultados e dos parâmetros obtidos através de ensaios edométricos, afetando também a previsão dos recalques. Ocorrerá a redução do valor estimado da tensão efetiva de pré-adensamento (σ`vm ). O trecho de maior curvatura da curva e x log σ`v torna-se menos acentuado, dificultando a estimativa de σ`vm. A baixa qualidade da amostragem pode ser refletida na redução do índice de vazios para um valor de tensão de adensamento; na dificuldade da definição do ponto de menor curvatura para a determinação da tensão vertical de préadensamento; na diminuição do valor da tensão de pré-adensamento pelo método de Casagrande; no aumento da compressibilidade na região de recompressão e decréscimo na região de compressão virgem (Coutinho et al., 1998). Qualquer que seja a tensão vertical efetiva, o índice de vazios é menor para a amostra de qualidade inferior. Diversos autores apresentaram propostas para a classificação da qualidade das amostras. Nos itens subsequentes, serão discutidas algumas classificações propostas na literatura Lunne et al. (1997a) Lunne et al. (1997a) apresentaram um critério de classificação das amostras em relação ao seu nível de amolgamento. As amostras são classificadas de acordo com a razão de pré-adensamento do solo (RPA ou OCR Over Consolidation Ratio) e com o valor da razão e/e o, onde e corresponde a diferença entre o índice de vazios inicial da amostra (e o ) e o índice de vazios correspondente ao nível de tensão

53 51 efetiva vertical de campo (e σ vo ). Este critério define faixas classificatórias, conforme apresentado na Tabela 3. Tabela 3 Classificação da qualidade das amostras - Lunne et al. (1997a) OCR e / e o Excelente - Muito Boa Boa - Regular Ruim Muito Ruim 1-2 < 0,04 0,04-0,07 0,07-0,14 > 0, < 0,03 0,03-0,05 0,05-0,10 > 0,10 Pode-se observar que as amostras de má qualidade, ou seja, que apresentam maior amolgamento, apresentam valores de e/e o maiores. Segundo Lima (2007), esta classificação de qualidade das amostras também foi apresentada por Lunne et al. (1997a) em relação à deformação axial no nível de tensão inicial de campo (ε vo ), sendo necessário multiplicar o valor de ( e/e o ) pela expressão e o /(1+e o ) Coutinho et al (2001) Os trabalhos de Coutinho et. al (1998 e 2001) apresentam uma proposta mais branda que a de Lunne et al.(1997a), fornecendo uma faixa de transição (entre a classificação regular e pobre), quando se trata de solos brasileiros. Tal critério está apresentado na Tabela 4. Tabela 4 Classificação da qualidade das amostras - Coutinho et al., 2001 (adaptado de Teixeira, 2011) OCR Excelente - Muito Boa e / e o Boa Regular Transição Pobre Muito Pobre 1-2 < 0,04 0,04-0,055 0,055-0,07 0,07-0,105 0,105-0,14 > 0, < 0,03 0,03-0,04 0,04-0,05 0,05-0,075 0,075-0,10 > 0,10

54 Oliveira (2002) Oliveira (2002) em seu trabalho denominado A Influência da Qualidade da Amostra no Comportamento Tensão-Deformação-Resistência de Argilas Moles expôs um critério de classificação das amostras, conforme a Tabela 5. Tabela 5 Classificação da qualidade das amostras - Oliveira (2002) Classificação e / e o Muito Boa - Excelente < 0,05 Boa - Regular (aceitável) 0,05-0,08 Ruim 0,08-0,14 Muito Ruim > 0, Correia e Lacerda (1982) Segundo Almeida et al. (2005), os autores Correia e Lacerda (1982) fizeram uso do conceito de compressibilidade volumétrica (m v ), para definir a qualidade de amostragem. A curva de m v versus σ v de uma amostra de boa qualidade apresenta uma mudança acentuada no valor de m v na região da tensão de pré-adensamento (Figura 10). Nas amostras muito amolgadas, esta mudança é quase imperceptível e a curva é praticamente contínua. Os autores sugerem ainda que é possível admitir que a tensão de pré-adensamento se situe no intervalo de mudança brusca.

55 53 Figura 10 Efeito do amolgamento na curva m v versus σ v (Correia e Lacerda, 1982 Adaptado de Almeida et al., 2005) 1.4 Estudo dos Parâmetros Geotécnicos de Solos Compressíveis na Baixada Fluminense O traçado da rodovia do Arco Metropolitano do Rio de Janeiro se insere, quase em sua totalidade, na região da Baixada Fluminense. Esta região foi amplamente estudada por diversos autores, e continua sendo objeto de estudo de várias pesquisas, principalmente aquelas relacionadas ao conhecimento dos parâmetros geotécnicos das argilas moles. Marques et al. (2008) analisaram a caracterização geotécnica de um depósito de solo compressível em Itaguaí (RJ) com a finalidade de definir parâmetros e modelos, para a proposição de soluções de estabilização de aterros. Foram discutidos os resultados de ensaios de campo (SPT, ensaio de palheta e piezocone)

56 54 e laboratório (caracterização, ensaios triaxiais e edométricos), tendo como foco 2 estações de investigações, denominadas Alstom e Stockyard, nas quais foram realizadas, respectivamente, 7 e 6 verticais de investigações. Nestas áreas, foram detectadas espessuras de argila mole variando de 7 m a 14 m, podendo haver ainda a ocorrência de lentes de areia de espessuras variáveis em alguns setores estudados (de 0,3 m a 4,3 m). Os resultados apresentados para as 2 áreas forneceram os seguintes parâmetros: densidade específica das argilas (G s ) variando entre 2,39 e 2,73, índice de vazios (e o ) entre 2,5 e 4,2 e valores de razão de compressão CR = C c /(1+e o ) variando de 0,24 até 0,50. Ressalta-se ainda que houve ocorrência de argilas siltoarenosas com índice de vazios (e o ) inferior a 1,5, mas que também foram menos compressíveis, com valores de razão de compressão (CR) inferiores a 0,2. Os valores dos coeficientes de adensamento vertical (c v ) obtidos através dos ensaios edométricos e de piezocone se apresentaram em uma faixa variando de 8 x 10-9 m²/s a 1,1 x 10-6 m²/s. Marques et al. (2008) forneceram, também, valores de índice de vazios (e o ) e de índice de compressibilidade (C c ) em função da profundidade para 2 (duas) verticais de investigações denominadas BH13 e B308 (Figura 11 e Figura 12), além de valores de coeficiente de adensamento vertical (c v ), obtidos por ensaios de adensamento e piezocone, como mostra a Figura 13. Tais valores serão confrontados com outros dados obtidos por demais autores para a região em estudo. Futai et al. (2008) resumem valores de propriedades geotécnicas das argilas do Rio de Janeiro, pesquisadas por diversos autores para a região de Sarapuí (Lacerda et al., 1977; Ortigão, 1980; Almeida & Marques, 2002). Os autores destacam faixas de valores de índice de vazios inicial (e o ) de 3,71 ± 0,57, e ângulo de atrito efetivo (φ ) entre 25 o e 30 o. Almeida et al. (2005) estudaram as características geotécnicas dos depósitos de argila mole de Sarapuí, com base em ensaios de campo e de laboratório realizados para esta região por diversos autores (Ortigão, 1975 e 1980; Coutinho, 1976; Duarte, 1977; Collet 1978; Vieira 1988; Barbosa, 1990 e Lima, 1993). Os estudos mostraram que o índice de vazios inicial das amostras (e o ) diminui com a profundidade de 4,9 a 2,5 e que o peso específico (γ) varia de 12,5 a 14,5 kn/m³.

57 55 Profundidade (m) e o Vertical BH13 Vertical B308 Figura 11 Índice de vazios inicial (e o ) em função da profundidade (Adaptado de Marques et al., 2008) Figura 12 Índice de compressibilidade (C c ) em função da profundidade (Adaptado de Marques et al., 2008) Almeida et al. (2005) apresentam, ainda, valores de índice de compressibilidade (C c ) variáveis de 1,3 a 3,2, e um valor médio da razão de compressão (CR) de 0,41 (considerado alto).

58 56 Figura 13 Coeficiente de adensamento vertical (c v ) em função da profundidade (Adaptado de Marques et al., 2008) A Figura 14 a Figura 17 apresentam as faixas de valores de índice de vazios inicial (e o ), índice de compressão (C c ) e coeficiente de adensamento vertical (c v ) obtidas pelos diversos autores na literatura, juntamente com os valores obtidos nos ensaios executados durante a fase de projeto do Arco Metropolitano do Rio de Janeiro (Antunes et al., 2011b). Os valores de índice de vazios inicial (e o ) concentraram-se na faixa de 2,5 a 5,0 (Figura 14), mostrando uma tendência de decréscimo com a profundidade. No projeto, os valores de e o concentraram-se na faixa de 2,23 a 4,91, com apenas algumas amostras com valores superiores. Segundo Almeida et al. (2005), da análise de 63 ensaios edométricos executados por Ortigão (1980), observou-se que o valor médio de e/e o foi de 0,033 e apenas 16% das amostras apresentaram valores maiores que 0,04, para as argilas de Sarapuí (Baixada Fluminense). Tal observação mostra a confiabilidade dos resultados apresentados por Ortigão (1980).

59 57 Com relação ao índice de compressibilidade (C c ), observa-se uma grande dispersão de valores para a região em estudo (Figura 15), com uma maior concentração de valores entre 1,5 e 2,5. Figura 14 Variação de e 0 em função da profundidade

60 58 Figura 15 Variação de C c em função da profundidade A Figura 16 mostra a variação do coeficiente de adensamento vertical (c v ) com a profundidade, obtido na literatura. Pode-se observar que c v varia entre 1 x 10-8 m 2 /s e 2 x 10-7 m 2 /s, com uma maior concentração da ordem de 3 x 10-8 m 2 /s. Na Figura 17 são fornecidas as faixas de valores de c v estudadas por diversos autores, para a Região da Baixada Fluminense, confirmando a variação de c v entre 1 x 10-8 m 2 /s e 2 x 10-7 m 2 /s.